具有改善的激光寿命的氟化钙光学器件制造技术

本发明专利技术涉及具有改善的激光寿命的氟化钙晶体光学器件，其可以用于传输低于２５０纳米（ｎｍ）的电磁辐射。在一个实施方式中，光学器件由ＣａＦ２主成分和选自＞０．３－１２００ｐｐｍ的Ｍｇ、＞０．３－２００ｐｐｍ的Ｓｒ、＞０．３－２００ｐｐｍ的Ｂａ，而且Ｃｅ和Ｍｎ为＜０．５ｐｐｍ的至少一种掺杂剂组成。该掺杂晶体和由其制造的光学器件在暴露于大于２．８　ＭＲａｄｓ的γ辐射之后５１５／３８０ｎｍ的透过率损失比值小于０．３。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及具有改善的激光寿命的氟化钙晶体以及由其制成的光学器件，它们 可以用于传输低于250纳米(nm)的电磁辐射。
技术介绍
受激准分子激光器是选用于微平版印刷工业的照明源。使用大功率激光器， 例如那些脉冲能量密度(流量)超过20mJ/cm2，脉冲波长低于250nm(例如193nm及以 下)的激光器，能够使用于激光平版印刷术系统中的光学器件劣化。T.M.Stephen等人在 其文章“暴露于真空的幻02激光器窗口的劣化(Degradation ofVacuum Exposed SiO2 Laser Windows) “，SPIE Vol.1848, pp.106-109 (199 中报道了氩离子激光器中熔凝石英(fosed silica)的表面劣化。近来，已经注意到，使用除石英以外的物质制造的高峰值和平均功 率193nm受激准分子激光器中都存在光学劣化。由于紫外线透明度和宽带隙能量，MgF2、Bal^2和Ctf2之类的离子材料是选用于 受激准分子光学部件的材料。在这三种材料中，因其立方晶体结构、性能、品质、成本 和相对丰富，更优选Ctf2。然而，抛光但无涂覆的Ctf2光学器件的表面当暴露在深紫 外线(“DUV〃)范围例如248和193nm，以及真空紫外(“VUV〃)范围例如157nm 下操作的大功率受激准分子激光器下时容易劣化。对于在193nm、2_9KHz、脉冲能量 密度20-80mJ/Cm2下操作的激光器，已知由这些离子材料制成的光学元件的表面仅在几 百万激光脉冲之后就会失效。在其他的应用中，例如医用激光器，能够存在交替的工作 参数，例如流量为200mJ/cm2-1000mJ/cm2 (很高的流量)的193nm激光和极低重现率(例 如lO-lOOHz)，这也会导致这种光学元件的加速失效。人们认为激光器损坏是氟从晶体 光学器件的内部或本体迁移到表面的结果，其中氟消失在气氛中。氟从Ctf2晶体光学器 件的损失导致F中心的形成，其然后能在表面附近和本体之内结合形成Ca胶体。这些Ca 胶体随后增加光学元件的散射和热度，随之最后的突然失效。美国专利6,466,365( “365 专利)描述了一种用真空沉积涂层例如硅氟氧化物材料来保护例如CaF2光学器件的金属 氟化物表面以免表面劣化的方法。虽然这种涂层足以解决表面损伤问题，但微平版印刷 工业一直需要受激准分子源的更高性能，并因此一直需要与受激准分子激光器系统结合 使用的光学部件的更高性能。因此，本体材料Ctf2的激光寿命必须通过限制那些导致光 学元件最终失效的Ca胶体的形成得到改进。这种解决方案或者将克服了该问题或者将大 大地延长本体寿命以及由此的现有和将来的光学元件将不必被替换而使用的持续时间。现已考虑过包括使用MgF2之类的其他光学材料解决光学元件使用寿命问题的方 案。然而，人们相信，这种材料也会经受类似于Ctf2随时间的退化，导致相同的需要，3即要替换昂贵的窗口。人们还相信，CaF2、Mgl^2及其他氟化物光学材料的退化问题将随 着波长193nm以下操作的激光系统的到来而恶化。因此，确定一种增加Ctf2的激光寿命 方法似乎是实现工业对改善激光性能的需要的最直接的方法。i
技术实现思路
—方面，本专利技术涉及掺杂的Ctf2晶体和由其制得的光学器件，它们可被用于 250nm以下的激光系统，包括激光微平版印刷系统。该光学器件由已用选定量的掺杂材 料(例如但不限制于镁(Mg))的CaF2晶体材料制成。在一个实施方式中，掺杂剂的用 量小于2500ppm。在另一个实施方式中，掺杂剂的用量> 0且<1200ppm。在又一实 施方式中，掺杂剂的用量>0且动OOppm。在又一个实施方式中，掺杂剂的用量>0且 《200ppm。一方面，本专利技术涉及一种具有改善激光寿命的激光光学器件，所述的光学器件 包含用选定量的选定掺杂剂掺杂的CaF2晶体材料，所述光学器件在暴露到大于2.8M Rads 的Y辐射后，其515/380nm透过率损失的比值小于0.3。在一个实施方式中，掺杂剂 及其用量选自由 > 0.3_1200ppm 的 Mg、> 0.3_200ppm 的 &、> 0.3_200ppm 的 Ba 组成 的组中。在另一实施方式中，掺杂剂选自由Ce和Mn组成的组中，选定掺杂剂的用量 小于<0.5ppm。在又一实施方式中，掺杂剂及其用量为2-500ppm的Mg。在不同的实 施方式中，掺杂剂及其用量为IO-IOOppm的Mg。在另外的实施方式中，在暴露到大于 2.8MRads的Y辐射后，515/380nm的透过率损失(transmission loss)比值小于0.2。在又 一个实施方式中，在暴露到大于2.8M Rads的Y辐射后，515/380nm的透过率损失比值小 于或等于0.1。激光光学器件上面还可以具有涂层，该涂层为至少一种选自由SiO2 · F、 Al2O3、MgF2、BaF2、CaF2 > SrF2、NaF、LiF、AlF3、LaF3、GdF3、NdF3、DyF3、YF3 和ScF3组成的组中的材料。在另一个实施例中，本专利技术涉及一种具有改善激光寿命的激光光学器件，所述 光学器件包括掺杂有20-100ppm Mg的CaF2单晶材料。该光学器件在暴露到大于2.8M Rads的Y辐射后的515/380nm的透过率损失比值小于或等于0.2。在一个实施方式中， 在暴露到大于2.8M Rads的Y辐射后，515/380nm的透过率损失比值小于或等于0.1。 在又一实施方式中，该光学器件上具有涂层，所述涂层为至少一种选自由SO2 · F、 Al2O3、MgF2、BaF2、CaF2 > SrF2、NaF、LiF、AlF3、LaF3、GdF3、NdF3、DyF3、YF3 和ScF3组成的组中的材料。本专利技术也涉及一种适合于制造具有改善激光寿命的激光光学器件的掺杂CaF2 晶体，所述晶体由作为主成分的和至少一种选自由> 0.3-1200ppm的Mg、> 0.3-200ppm的&、> 0.3-200ppm的Ba组成的组中的掺杂剂组成。在一实施方式中，掺 杂剂及其用量为2-500ppm的Mg。在另一实施方式中，掺杂剂及其用量为IO-IOOppm的 Mg。在另一实施方式中，该晶体暴露到大于2.8MRads的Y辐射后的515/380nm的 透过率损失比值小于0.3。在另外的实施方式中，该晶体在暴露到大于2.8MRads的Y辐 射后，515/380nm的透过率损失比值小于0.2。在又一实施方式中，该晶体暴露到大于 2.8MRads的Y辐射后，515/380nm的透过率损失比值小于或等于0.1。附图说明图1 (现有技术)表示具有晶种存储器和晶种沿轴取向方向的晶体生长坩埚。图2(现有技术)表示装载掺杂的Ctf2原料的图1所示的晶种生长坩埚。图3表示容纳于两区域炉的上部区域之内的坩埚，原料和晶种的上部分已被熔 化。图4表示对于未掺杂和Mg掺杂的CaF2的515/380nm透过率损失比值的变化。图5是表明在未掺杂CaF2晶体中形成胶体的拉曼光谱。具体实施方式本文使用的术语"氟化钙晶体"和"氟化钙光学器件"意指氟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有改善激光寿命的激光光学器件，所述光学器件包括用选定量的能抑制胶体形成的选定掺杂剂的ＣａＦ↓［２］晶体材料，且所述光学器件在暴露于大于２．８Ｍ　Ｒａｄｓ的γ辐射之后的５１５／３８０ｎｍ的透过率损失比值小于０．３。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：JR科勒，KJ多诺霍，ML吉尼尔，RS小帕夫利克，MW普赖斯，WR罗施，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]